碳/環(huán)氧復(fù)合材料管失效分析

王 影，謝國君，韓 露

(航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

碳/環(huán)氧復(fù)合材料以其優(yōu)異的比強度特性，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定、耐熱、耐低溫及材料性能可設(shè)計等優(yōu)點，其既可以作用結(jié)構(gòu)材料承載，又可以作為功能材料發(fā)揮其作用，因而越來越多地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域［1-5］，而在使用中碳/環(huán)氧復(fù)合材料產(chǎn)品的失效也隨之增加［6-8］。

某產(chǎn)品所用的碳/環(huán)氧復(fù)合材料管是在彎曲疲勞試驗時發(fā)生開裂失效的，其疲勞次數(shù)遠低于設(shè)計要求。管子的結(jié)構(gòu)如圖1所示，中部區(qū)域壁厚最厚，從中部向兩端壁厚逐漸減薄;管子本體所用材料為碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料。管子的成型工藝為碳布纏繞固化成型，鋪層工藝從外圈到內(nèi)圈為1層雙向碳纖維布/8～15層單向碳纖維布/2層雙向碳纖維布。對該管子進行宏觀、微觀檢測，以分析其失效原因，為避免出現(xiàn)同類故障提供借鑒。

1 觀察與分析

1.1 宏觀觀察

失效產(chǎn)品的宏觀形貌如圖2所示，管內(nèi)壁裂紋位于安裝孔根部，裂紋長約140 mm，安裝孔邊緣部分區(qū)域的碳纖維復(fù)合材料翹起約30°，裂紋向兩側(cè)擴展;管子外壁裂紋位于包套邊緣，為周向裂紋，裂紋長約1/3周，與內(nèi)壁裂紋位于同一側(cè)，從裂紋的宏觀形態(tài)判斷，最先破壞位置位于安裝孔根部區(qū)域。

采用砂輪切割機將開裂失效管子分區(qū)解剖觀察發(fā)現(xiàn)，鋼銷釘附近裂紋翹起，擴展區(qū)鼓起，表面開裂，管壁剖面的裂紋穿透整個管壁(圖3)。將裂紋面打開觀察可見，內(nèi)壁裂紋和外壁裂紋為連續(xù)性裂紋，整個裂紋面較平滑，大部分區(qū)域為沿單向布開裂，該區(qū)域存在白色物質(zhì)，對應(yīng)安裝孔根部裂紋面為沿雙向布開裂，該區(qū)域呈黑色(圖4);裂紋源位于安裝孔附近，源區(qū)存在分層現(xiàn)象(分層位置位于單向布之間)，鋼銷釘上殘留部分斷裂的復(fù)合材料;裂紋擴展區(qū)斷口較平整，未見明顯的分層缺陷。

圖3 裂紋宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of crack

圖4 裂紋面(斷口)形貌Fig.4 Macro morphology of fracture surface

采用掃描電鏡對主要斷裂區(qū)域的斷口進行微觀形貌觀察。白色分層面上大部區(qū)域存在較多的呈聚集態(tài)分布的粉末狀潛伏性固化劑，局部區(qū)域粉末狀潛伏性固化劑較少，該區(qū)域可見原始的鋪層特征，未見斷裂特征，表明該區(qū)域未形成有效的粘接，為原始分層缺陷，尺寸約為20 cm2(圖5)。黑色裂紋面相對較干凈，部分區(qū)域存在疲勞開裂特征，部分區(qū)域纖維表面較光滑，殘留樹脂極少，表明該區(qū)域界面結(jié)合強度較低(圖6)。大部分斷面較平，局部存在分層(圖7)，纖維斷口呈脆性斷裂特征［1］。

1.2 紅外光譜分析

對管子樹脂和裂紋面上白色物質(zhì)分別進行紅外光譜分析，結(jié)果見圖8。由圖可見，管子樹脂主成分為普通環(huán)氧樹脂;裂紋面上白色物質(zhì)主成分為雙氰胺。紅外光譜分析結(jié)果表明裂紋面上白色物質(zhì)為雙氰胺，是一種潛伏性固化劑。

圖8 樹脂基體的紅外光譜圖Fig.8 Infrared spectrogram of the resin

1.3 金相分析

在斷口附近截取試樣制備成金相試樣進行結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)果見圖9，內(nèi)壁和外壁為雙向碳布，中間為單向碳布，未見氣孔、分層缺陷［9］。

2 分析與討論

圖9 管內(nèi)部形貌Fig.9 Inside appearance of pipe

從管子的形貌觀察可見，管子外壁裂紋與內(nèi)壁裂紋是一個連續(xù)裂紋，裂紋面較平，大部分區(qū)域存在較多的呈聚集態(tài)分布的白色粉末狀潛伏性固化劑，結(jié)合管子成型工藝分析認為，聚集態(tài)潛伏性固化劑的存在應(yīng)是由于固化劑的配比不合理或原料混合不均，導(dǎo)致固化后局部區(qū)域殘留較多潛伏性固化劑，導(dǎo)致該區(qū)域?qū)优c層之間未形成有效粘接，形成分層缺陷，使該區(qū)域的承載能力下降，同時由于分層缺陷管子的安裝位置附近，該位置處于彎曲疲勞試驗時變形量(應(yīng)變量)較大的區(qū)域，而分層區(qū)域的變形與正常區(qū)域(未分層區(qū))變形不一致，導(dǎo)致分層區(qū)域邊緣及包套邊緣區(qū)域的碳環(huán)氧材料發(fā)生折斷，形成宏觀裂紋。

由于安裝孔位于缺陷區(qū)域附近，導(dǎo)致復(fù)合材料管打孔的過程中孔的邊緣易產(chǎn)生缺陷(主要為分層缺陷)，孔邊緣的分層缺陷進一步降低該區(qū)域的承載能力，加速管子的疲勞失效。

3 結(jié)論

1)碳/環(huán)氧復(fù)合材料管失效性質(zhì)為低周疲勞;

2)碳/環(huán)氧復(fù)合材料管局部區(qū)域存在分層缺陷，缺陷產(chǎn)生的原因是由于該區(qū)域富集較多的粉末狀固化劑;

3)發(fā)生疲勞失效的主要原因是由于安裝孔附近存在分層缺陷，導(dǎo)致該區(qū)域?qū)娱g結(jié)合強度降低，導(dǎo)致碳/環(huán)氧復(fù)合材料管發(fā)生早期疲勞失效。

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